배터리 충전 시간 계산기: 완전히 충전하는 데 걸리는 시간

저는 뒷문으로 이 업계에 들어왔습니다. 창고의 패널 업그레이드를 수행하는 전기 공사업체로 시작했지만 답변할 수 없는 배터리 관련 질문을 계속 받았고 결국 배선보다 전력 시스템에 더 많은 시간을 소비하게 되었습니다. 그게 2016년이었습니다. 8년 후 저는 중서부와 남동부 전역에 걸쳐 약 400개의 지게차 배터리 설치 작업을 수행했는데, 대부분이 납산에서 리튬으로 전환되었습니다.{4}}

 

충전 시간에 대한 질문은 거의 모든 영업 통화에서 나타납니다. 함대 관리자는 숫자를 원합니다. "충전하는데 얼마나 걸리나요?" 간단한 질문, 복잡한 대답. 모든 사람이 온라인에서 사용하는 빠른 공식을 사용하면 성공할 수 있지만 인디애나폴리스의 한 냉장 보관 시설에서 동일한 공식으로 인해 340,000달러의 실수가 발생하는 것을 저는 본 적이 있습니다. 그들은 이론적인 수치를 기준으로 충전 인프라의 규모를 정한 후, 냉동고 준비 구역의 주변 온도 2도를 고려하는 사람이 아무도 없었기 때문에 실제 충전 시간이 40% 더 길다는 사실을 발견했습니다. 처음부터 수행했어야 했던 전기 업그레이드에 대한 예산 승인을 받는 데 8개월이 걸렸습니다.,

 

이제 충전 시간 계산에 실제로 중요한 것이 무엇인지, 그리고 더 중요한 것은 숫자가 조달 결정에 어떤 의미를 갖는지 살펴보겠습니다.

공식과 그것이 당신에게 거짓말을 하는 이유

기본 계산은 온라인 어디에서나 가능합니다.

20A 충전기를 사용하는 200Ah 배터리는 10시간이 걸립니다. 완료.

하지만 그런 식으로 작동하지 않습니다. 이 공식은 100% 충전 효율을 가정하지만, 이는 존재하지 않습니다. 모든 배터리 화학은 충전 중에 에너지를 잃습니다. LiFePO4는 셀 품질과 온도에 따라 95%~98% 작동합니다. 실온에서 97.8%에 도달한 CATL 280Ah 셀을 테스트했지만 작년 Tier{16}}3 공급업체의 예산 셀 배치는 동일한 조건에서 93.2%만 관리했습니다. NMC 화학물질은 일반적으로 90%에서 95% 사이에 속합니다. 납산은 추운 날씨에 오래된 배터리의 68%에서 최적의 온도에서 새 배터리의 85%까지 지도 전체에 걸쳐 있습니다.

효율성-조정 공식:

20A, 95% 효율의 200Ah 배터리는 실제로 10.5시간이 걸립니다. 85%의 납-효율성을 사용하면 11.8시간이 소요됩니다.

그러나 대부분의 계산기가 여기서 멈추며, 실제 문제가 시작되는 곳도 바로 여기입니다.

CC-CV 충전: 마지막 20%가 영원히 걸리는 이유

모든 리튬 충전기는 2단계- 프로세스를 사용합니다. 첫 번째 단계는 정전류 단계로, 전압이 상한에 도달할 때까지 충전기가 배터리에 일정한 전류량을 공급합니다. LiFePO4의 경우 셀당 3.65V입니다. 이는 표준 48V 팩의 경우 58.4V를 의미합니다. NMC는 셀당 4.2V에서 차단됩니다.

정전류를 사용하면 약 80%의 충전 상태를 얻을 수 있습니다. 이 부분에서는 간단한 공식이 합리적으로 잘 작동합니다.

그런 다음 충전기는 정전압 모드로 전환됩니다. 전압은 고정된 상태로 유지되고 전류는 점차적으로 감소합니다. 전류가 원래 CC 값의 약 3%로 떨어지면 배터리가 "가득 차 있습니다". 이 단계에서는 나머지 20%를 채우지만 총 충전 시간의 30~40%를 차지할 수 있습니다.

Memphis의 유통 센터에서 충전 로그를 보여주기 전까지 저는 이것이 단지 기술적 세부 사항일 뿐이라고 생각했습니다. 그들은 선형 충전을 가정한 계산에 따라 2.5시간 후에 충전기가 분리되도록 프로그래밍했습니다. 모든 단일 배터리가 83% ~ 86% SOC에서 중지되었습니다. 운영자는 런타임이 8시간이고 6.5~7을 얻고 있다고 생각했습니다. 누군가 BMS 데이터를 가져오기 전까지 생산성 수치는 의미가 없었습니다.

CV 단계 기간도 배터리 수명이 길어짐에 따라 증가합니다. Battery University의 기사 BU{5}}409에서는 이 현상을 자세히 다루고 있습니다. 남은 용량이 82%인 성능이 저하된 셀은 채울 수 있는 용량이 적기 때문에 더 빨리 충전되지 않습니다. CV 모드에 더 일찍 들어가고 저전류 테이퍼에서 더 오랜 시간을 소비하기 때문에 실제로 새 셀과 거의 동일한 총 시간이 소요됩니다. 이들 비유는 유용합니다. 젊은 운동선수는 속도를 거의 늦추지 않고 결승점까지 질주하는 반면 나이 많은 주자는 중간쯤 걷기 시작합니다.

실제로 중요한 온도 효과

사양 시트는 25도에서 성능을 보여줍니다. 충전 구역에서 연중-25도를 유지하는 창고를 본 적이 없습니다.

20도에서 25도 사이에서는 모든 것이 예상대로 작동합니다. 이것이 당신의 기준선입니다.

5도에서 20도 사이에서는 용량이 5%에서 15% 감소하고 충전 시간이 약간 길어질 수 있습니다. 대부분의 작업은 눈치 채지 못합니다.

0도에서 5도 사이에서 괜찮은 시스템의 BMS는 충전 전류를 감소시키기 시작합니다. 충전 시간이 두 배 또는 세 배가 될 것으로 예상됩니다. 22도에서 2.5시간 만에 충전되는 48V 400Ah 팩을 측정했는데 3도에서는 7시간이 넘게 걸렸습니다.

0도 이하에서는 상황이 위험해집니다. 영하에서 LiFePO4를 충전하면 양극 표면에 리튬 도금이 발생합니다. 이러한 손상은 영구적이고 누적되어 발생할 때마다 용량과 수명이 모두 감소합니다. 적절한 BMS는 이 온도에서 충전을 완전히 차단하지만 경고등만 표시하고 운영자가 무시할 수 있는 저렴한 시스템을 접했습니다. 0도 이하로 충전할 수 있는 BMS는 절대 믿지 마세요. Battery University의 기사 BU-410은 리튬 도금 메커니즘을 문서화하고 손상에 대한 현미경 이미지를 보여줍니다.

45도 이상에서는 충전 시 성능 저하가 크게 가속화됩니다. 여름에 충전 장소가 더워지면 충전기 위치를 바꾸거나 환기 장치를 추가하세요. 공기 흐름이 없는 남향-하역장 옆에서 충전하고 있었기 때문에 한 여름에 팩 용량이 15% 손실되는 것을 본 적이 있습니다.

실용적인 요점: 충전 시간 계산에는 온도 보정 계수가 필요합니다. 아래 표는 프로젝트 견적에 내가 사용하는 것을 보여줍니다.

아무도 이야기하지 않는 용량 선택 문제

대부분의 온라인 토론에서는 배터리 용량을 단순한 "클수록 좋다"는 질문으로 취급합니다. 실제로 셀 크기를 선택하면 충전 동작, 열 관리 및 장기적인-신뢰도에 영향을 미치는 상충 관계가 발생합니다.

280Ah 또는 314Ah 형식과 같은 대형 각형 셀은 kWh당 비용이 더 낮습니다. 하지만 표면-대-부피 비율이 더 작습니다. 즉, 열을 더 잘 유지하지만 찬물에 담그면 더 천천히 예열됩니다.

지난겨울 같은 제조사의 100Ah와 280Ah 셀을 대상으로 비교 테스트를 진행했습니다. -15도부터 시작하여 100Ah 셀은 표준 가열 시스템을 사용하여 14분 만에 안전한 충전 온도에 도달했습니다. 280Ah 셀은 23분이 걸렸습니다. 충전 주기마다 거의 10분 정도 차이가 납니다.

충전 기간이 예측 가능한 예정된 교대 근무의 경우 이는 중요하지 않을 수 있습니다. 히터를 30분 일찍 시작하면 필요할 때 배터리가 준비됩니다. 배송이 불규칙한 주문형 애플리케이션의 경우 -추가 10분이 전체 작업에 영향을 미칠 수 있습니다.

다른 문제는 셀{0}}간-일관성입니다. 100Ah 셀로 제작된 팩에는 균형을 유지해야 하는 개별 셀이 더 많습니다. 그러나 이러한 작은 셀은 제조 중 열 구배가 더 작기 때문에 배치 내에서 더 엄격한 일관성을 나타내는 경향이 있습니다. 한 고객은 특히 BMS가 전압 차이에 대해 지속적으로 경고했기 때문에 320Ah 셀에서 100Ah 셀로 전환했습니다. 320Ah 팩은 일반적으로 셀 사이에 50mV 확산을 보여주었습니다. 100Ah 교체 팩은 15mV 미만으로 유지됩니다.

BMS 밸런싱은 충전 주기가 끝날 때 발생하므로 이는 충전 시간에 중요합니다. 전압 차이가 클수록 밸런싱 시간이 길어져 완전 충전에 도달하는 데 걸리는 총 시간이 늘어납니다.

C-요금 선택 및 실제-세계 충전 시간

C-rate는 충전 전류를 용량의 배수로 표현합니다. 1C에서 충전되는 100Ah 배터리는 100A를 수신합니다. 0.5C에서는 50A를 수신합니다.

C-속도와 충전 시간 사이의 관계는 CV 단계로 인해 선형이 아닙니다. 충전 전류를 두 배로 늘려도 총 충전 시간은 절반으로 줄어들지 않습니다.

0.5C에서 일반적인 LiFePO4 팩은 CC 모드에서 80% SOC에 도달하는 데 약 100분이 소요되고, CV 모드에서는 충전을 완료하는 데 40~50분이 더 소요됩니다. 총 약 2.5시간.

1C에서 CC 단계는 약 50분으로 떨어지지만 CV 단계는 여전히 35~45분이 소요됩니다. 총 약 1.5시간.

전류를 두 배로 늘렸지만 총 시간은 40%만 단축되었습니다. CV 단계는 CC 비율에 관계없이 상대적으로 고정되어 있습니다.

2C(세포가 지원하는 경우)에서는 CC 단계가 25분으로 떨어지고 CV 단계는 약 30~40분 정도 유지됩니다. 총 약 1시간 정도 소요됩니다. 0.5C에 비해 전류를 4배로 늘렸지만 시간은 60%만 단축했습니다.

발열 컬럼이 중요합니다. C- 비율이 높을수록 셀 내부의 열로 손실되는 에너지가 더 많아집니다. 적절한 열 관리가 없으면 충전 중에 셀 온도가 상승하여 BMS 성능 저하가 발생하고, 이로 인해 충전 시간이 길어지며, 이는 부분적으로 고속 충전의 목적을 무효화합니다. BMS가 열 보호 모드에서 사이클의 절반을 소비하기 때문에 더운 환경에서 실제로 1C 시스템보다 더 오래 걸리는 2C-등급 시스템을 본 적이 있습니다.

충전 시간이 차량 경제에 적합한 경우

여기서 조달 결정이 내려집니다. 충전 시간은 단순한 기술 사양이 아닙니다. 이는 필요한 배터리 수, 필요한 충전기 수, 전기 인프라가 부하를 처리할 수 있는지 여부에 직접적인 영향을 미칩니다.

작년에 2교대에 걸쳐 36대의 클래스 1 좌식 지게차를 운영하는 달라스의 3PL 운영에 대해 실제 비교를 통해 살펴보겠습니다.

시나리오 A: 납{0}}배터리 교체

전통적인 접근 방식. 각 지게차에는 3개의 배터리 세트(작동용 배터리 세트, 충전용 배터리 세트, 냉각용 배터리 세트)가 필요합니다. 납{2}}배터리는 재사용하기 전에 8시간의 충전 시간과 8시간의 냉각 시간이 필요합니다. 총 108개 배터리(48V 600Ah 장치당 약 $4,200).

연간 운영 비용에는 전기(납-왕복-효율이 약 80%라는 것은 상당한 손실을 의미함), 급수 및 유지 관리 인건비, 배터리실 HVAC 및 교체 예비비가 포함되었습니다. 사용량이 많은 응용 분야에서{4}}납산-은 일반적으로 1,500~2,000주기 동안 지속되며, 이는 2교대 작업으로 환산하면 3~4년에 해당합니다.{12}}

시나리오 B: 기회 충전이 가능한 리튬

LiFePO4 배터리는 휴식 시간에도 손상이나 냉각 요구 사항 없이 충전할 수 있습니다. 각 지게차에는 하나의 배터리가 필요합니다. 48V 400Ah LFP 장치에 대해 각각 약 $11,800인 총 36개의 배터리(수명 보존을 위해 50% 이상을 유지해야 하는 납산과 달리 리튬은 방전 내내 전체 용량을 제공하므로 더 작은 용량이 필요함).

연간 운영 비용은 나머지 이야기를 말해줍니다.

교체 예비 계산에서는 이 애플리케이션에서 납산 배터리가 평균 3.5년 동안 지속되며 연간 약 31개의 배터리를 개당 $3,650로 교체해야 한다고 가정합니다(계정이 설정됨에 따라 교체 가격은 약간 하락합니다). LiFePO4는 이 애플리케이션에서 교체 없이 10년 동안 보증됩니다.

8년 TCO 요약:

리튬 옵션 비용은 8년 동안 69% 저렴합니다. 초기 투자 차액에 대한 회수는 5개월차에 발생합니다.

이 특정 분석에서는 Dallas 고객의 수치를 사용했습니다. 귀하의 수치는 전기 요금, 인건비, 근무 패턴 및 현지 건설 비용에 따라 달라질 수 있습니다. 그러나 차이의 크기는 대부분의 다-교대 작업에서 내가 본 것을 대표합니다.

단일-교대 운영: 다양한 수학

단일-교대 시설의 경제성은 크게 변합니다. 장비가 매일 14~16시간 동안 유휴 상태로 유지되면 배터리 교체 작업이 방정식에서 사라지고 납{4}}은 단일 배터리 세트로 적절한 충전 및 냉각을 위한 시간을 갖게 됩니다.

20-지게차 단일 교대 작업의 경우:

리튬이 여전히 승리하지만 마진은 훨씬 작습니다. 투자금 회수에는 5개월이 아닌 4~5년이 걸린다. 장기 계획이 불확실한 운영의 경우-위험 계산이 변경됩니다.

이런 상황에서 고객이 5년 후에도 여전히 그 시설에 있을 것인지 확신할 수 없었기 때문에 납{0}}납산을 선택하게 한 적이 있습니다. 이는 합법적인 비즈니스 결정입니다.

BMS가 충전 시간에 미치는 영향

배터리 관리 시스템은 충전 중에 실제로 일어나는 일을 제어하며 저렴한 BMS 설계는 제가 해결하는 대부분의 충전 문제의 원인입니다.

충전 시간에 영향을 미치는 세 가지 BMS 동작:

셀 전압 측정 정확도.산업용-등급 BMS 장치는 ±2mV 이내에서 개별 셀 전압을 측정합니다. 예산 단위는 ±10mV만 달성할 수 있습니다. 16셀 시리즈 스트링에서 누적 오류는 160mV에 도달할 수 있습니다. 이로 인해 조기 CV 모드 진입, 잘못된 밸런싱 트리거 및 일관되지 않은 충전 종료가 발생합니다. 디스플레이에 "100%"로 표시되는 팩을 본 적이 있지만 측정한 셀에 따라 실제로는 94%에서 102% 사이였습니다.

현재와 ​​전략의 균형을 유지합니다.패시브 밸런싱은 저항을 통해 초과 에너지를 열로 방출합니다. 능동 균형은 세포 간에 에너지를 전달합니다. 패시브 밸런싱은 일반적으로 50~200mA로 실행됩니다. 즉, 셀 간의 1% SOC 차이를 밸런싱하는 데 5~20시간이 걸립니다. 대부분의 BMS 장치는 충전 곡선의 상단 또는 하단에서만 균형을 유지하므로 100%까지 충전하지 않으면 균형 조정이 실행되지 않을 수 있습니다. 활성 밸런싱은 비용이 15%~25% 더 높지만 불균형을 훨씬 빠르게 처리합니다.

열 경감 곡선.셀 온도가 상승하면 -잘 설계된 BMS는 충전 전류를 줄여 손상을 방지합니다. 문제는 이러한 경감 곡선이 제조업체마다 크게 다르다는 것입니다. 나는 35도에서 전류를 50%까지 줄이는 BMS 장치와 45도까지 최대 전류를 유지하는 다른 장치를 본 적이 있습니다. 둘 다 꼭 틀린 것은 아니지만 따뜻한 환경에서는 충전 시간이 매우 다릅니다.

실제 BMS 매개변수(셀당 측정 정확도, 전류 균형 및 트리거 임계값, 열 경감 곡선)는 공급업체에 문의하세요. 이를 제공할 수 없는 경우 다른 공급업체를 찾으십시오.

일반적인 조달 실수

실수 1: 인프라 규모 조정에 이론적 충전 시간을 사용합니다.

충전기와 전기 서비스는 계산이 아닌 실제 충전 시간을 처리해야 합니다. 최소 20% 마진으로 구축하세요. 약간 크기를 늘리는 비용은 나중에 개조하는 비용보다 훨씬 적습니다.

실수 2: 계절 변화를 무시합니다.

봄에는 완벽하게 작동하는 시스템이 겨울에는 어려움을 겪을 수 있습니다. 시설이 온도 조절이 되지 않는 경우-예상되는 극한 온도에서 충전 시간 데이터를 얻으세요.

실수 3: 모든 리튬을 동등하게 취급합니다.

다양한 제조업체의 LiFePO4는 다르게 작동합니다. 셀 품질, BMS 설계 및 열 관리는 모두 실제{2}}충전 시간에 영향을 미칩니다. 일반적인 "리튬 배터리" 사양이 아닌 구매하려는 특정 제품에 대한 테스트 데이터가 필요합니다.

실수 4: 노화를 망각하는 것.

배터리가 오래될수록 충전 시간이 늘어납니다. 새 제품일 때 요구 사항을 간신히 충족하는 시스템은 3년 또는 4년이 지나면 부족해집니다. 수명 시작-이 아닌-수명 종료 성능에 맞게 설계하세요.

실수 5: 완전 방전 주기를 기준으로 계산합니다.

대부분의 작업은 배터리를 비우기 위해 실행되지 않습니다. 일반적인 주기가 60% 방전인 경우 충전 시간 계산에서는 100%가 아닌 60%를 사용해야 합니다. 전체 주기를 기반으로 한 규모 초과는 인프라 용량을 낭비합니다.

프로젝트 견적을 위한 빠른 참조

이 수치는 실내 온도와 배터리 상태를 가정한 것입니다. 실제 상황에 맞게 조정하세요.

귀하의 작업에 대한 정확한 수치 얻기

일반 계산기는 일반적인 답변을 제공합니다. 상당한 자본이 포함된 조달 결정의 경우 특정 장비, 환경 및 운영 패턴을 기반으로 한 계산이 필요합니다.

우리는 Polinovel에서 프로젝트 범위 지정의 일환으로 상세한 충전 시간 분석을 실행합니다. 현재 배터리 사양, 교대근무 일정, 시설 온도 범위, 충전 가능 시간대 등을 보내주세요. 예상되는 충전 시간을 모델링하고 다양한 구성이 인프라 요구 사항과 TCO에 어떤 영향을 미치는지 보여 드리겠습니다.

10개 단위가 넘는 프로젝트의 경우 분석이 무료입니다. 소규모 프로젝트의 경우 흔히 발생하는 크기 조정 실수 중 하나를 저지르지 않도록 대화를 나누는 것이 좋습니다.

연락처: sales@polinovelpowbat.com

지금 연락하세요

데이터 표는 여러 제조업체와 애플리케이션에서 관찰된 일반적인 성능 범위를 반영합니다. 구체적인 결과는 셀 품질, BMS 구성, 환경 조건 및 작동 패턴에 따라 달라집니다. LiFePO4 화학에 기초한 온도 보정 계수; NMC와 기타 화학물질은 다를 수 있습니다. TCO 계산은 텍스트에 명시된 가정을 사용합니다. 실제 결과에는 사이트별-분석이 필요합니다.

참고자료:
1. Battery University, "BU{2}}409: 리튬-이온 충전" 및 "BU{7}}410: 고온 및 저온에서 충전"(batteryuniversity.com/article/bu{10}}409{11}}리튬-이온 충전, Batteryuniversity.com/article/bu-410-charge-at-high-and-low-temps)
2. BloombergNEF, 전 세계 평균 팩 가격이 $139/kWh로 하락했음을 기록한 "2024년 배터리 가격 조사"(about.bnef.com)